反硝化作用是氮素生物地球化学循环中活性氮转变为惰性氮(N2)的重要环节,对维持生态系统氮素平衡具有非常重要的意义。反硝化作用的中间产物氧化亚氮(N2O)是一种重要的温室气体,其代谢产物会破坏臭氧层,与全球变化有密切的关系。在水稻生长期间,土壤在相当长的时间内都处于有利于反硝化作用的淹水厌氧状态,反硝化作用引起的氮损失是稻田肥料氮损失的主要途径之一。因此,研究水稻土的反硝化能力及其气态产物的排放规律,阐明其影响因素,对于提高稻田氮肥利用率,减少活性氮排放具有非常重要的意义。但是由于大气中N2的浓度极高,严重影响反硝化终产物N2浓度的准确测定,急需建立准确测定N2浓度的方法,为深入认识水稻土反硝化作用及产物组成提供技术支撑。本研究基于稳定同位素比质谱仪,建立了同时测定样品中N2浓度和15N丰度的质谱分析方法;基于该方法,采用15N同位素标记方法,开展室内培养试验,研究了不同条件下水稻土反硝化速率和气态产物的排放规律及其影响因素。针对反硝化终产物N2浓度较难准确测定的问题,本研究建立了同时测定N2浓度和15N丰度的稳定同位素比值质谱仪(IRMS)分析方法。使用IRMS的测定结果,绘制了自然丰度和低丰度(atom%≈0.5%)N2样品的浓度标准工作曲线。结果表明,根据气体样品的进样体积和标准工作曲线可准确测定被测样品中N2的浓度;严格控制待测样品的进样量,使气体样品质荷比(m/z)28的离子流强度高于600 mV,可以保证样品15N丰度测定结果的稳定性和准确性。需要注意的是,质谱仪器在关机再开机或改变载气流速和色谱柱温度后,工作参数将发生变化,对于N2的m/z 28离子流强度的测定结果也会随之发生改变,会明显影响N2浓度标准工作曲线,因此在每次分析样品之前,必须重新制备N2的标准样品,重新绘制新的N2浓度标准工作曲线,才能保证测定结果的准确性。分析过程中我们发现当IRMS测定15N丰度较高的N2样品时(如atom%>10%),仪器分析软件计算出的结果往往偏差很大,严重影响高丰度N2样品15N丰度的准确测定。针对这一问题,本研究配制了 10-99.14 atom%的一系列高丰度15N2标准样品进行质谱测定,并推导了三种计算15N2丰度的公式。结果表明,高丰度N2样品的15N丰度主要取决于m/z 30的离子流强度。在计算高丰度15N2样品时,选用m/z 28、29和30的峰面积计算得到的结果较采用峰高计算的结果更为准确;采用三种不同的公式计算15N高丰度15N2,最终获得了准确的15N丰度,初步建立了 IRMS准确测定高丰度15N2样品的人工计算方法。在建立同时测定N2浓度和15N丰度的质谱分析方法的基础上,分别在江西鹰潭(YT)、龙虎山(LHS)、江苏句容(JR)、淮安(HA)和宜兴(YX)、四川盐亭(SC)采集6种土壤性质差异较大的耕层水稻土,利用15N同位素标记技术进行室内培养试验,研究了不同条件下水稻土反硝化速率和气态产物的排放规律及其影响因素。主要研究结果如下:采用15N示踪技术和同时测定样品N2浓度和15N丰度方法,研究了严格厌氧条件下(淹水、顶空充N2)水稻土反硝化能力和产物组成比例及其与土壤性质的关系。结果表明,供试水稻土N2O排放速率的变化范围在0.02-0.16 mg N kg-1 h-1之间,其中,YT和HA水稻土的N2O排放速率均显著高于其他土壤,其次是YX水稻土,而LHS、JR和SC水稻土的N2O排放速率均较低。N2排放速率的变化范围在0.16-0.50 mg N kg-1h-1之间,其中,以碱性水稻土 SC最高,显著高于其他土壤,以酸性水稻土 LHS最低。所有供试土壤的N2排放速率均明显高于N20,表明N2是所研究水稻土反硝化的主要产物。反硝化气态产物15N2/15N20的比值以碱性水稻土 SC最高,达到了 28.5,且明显高于其他5种供试土壤;其次为JR和LHS水稻土,而碱性HA水稻土的15N2/15N2O 比值最低。本研究采用反硝化气态产物N2和N20的排放速率之和来表示反硝化速率,其变化范围在0.18-0.52 mg N kg-1 h-1之间,供试水稻土反硝化速率差异显著,以碱性水稻土 SC最高,其显著高于其他土壤;酸性水稻土 LHS最低。多元回归分析结果表明,土壤易矿化碳含量(用C02排放速率表征)和pH可以很好地预测反硝化速率(P<0.05)。除 HA 水稻土外,15N2/15N2O 与土壤 pH(P<0.05)和 C/N(P<0.05)呈显著正相关关系;nirK、nirS的基因丰度随着土壤pH和C/N的增加而增加,而nosZ的基因丰度随着土壤pH和C/N的增加而降低,单位nosZ基因对N2排放速率的贡献与土壤pH(P<0.01)和C/N(P<0.05)呈显著正相关关系。这些结果表明土壤pH、易矿化碳含量和C/N是影响水稻土反硝化作用及其气态产物中N2/N20比值的重要因素。由于在水稻生长期间,土壤具有干湿交替的特点,土壤含水量变化幅度较大。因此,本文进一步研究了不同水分含量条件下水稻土反硝化速率及气态产物组成比例,共设置60%WHC、80%WHC、100%WHC、水土比1:1淹水(培养瓶顶空充空气,培养温度为25℃)4种土壤水分条件处理。结果表明,N20和N2的排放速率随着土壤水分含量的变化发生显著的变化(P<0.05)。不同水分处理条件下,碱性水稻土 SC的N20排放速率变化很小,在0.01mgN kg-1h-1左右;而酸性水稻土 LHS只有在淹水条件下才有较为明显的N20排放;YT水稻土在100%WHC时,N20排放速率达到最大值,而进一步增大土壤水分含量至淹水条件后,N20排放速率有所下降:另外3种供试土壤N20排放速率均随水分含量的增加而增大。在土壤水分含量为60%WHC的好氧条件下,6种供试土壤均没有明显的N2排放;在80%WHC条件下,除酸性水稻土LHS外,其他5种供试土壤均有N2排放,其中以SC水稻土 N2排放速率最高,为0.25 mg N kg-1 h-1,其次是YX和HA水稻土,其余3种供试土壤均较低。LHS水稻土在水分含量为100%WHC时开始有N2排放。每种供试土壤一旦开始产生N2,N2的排放速率则随土壤含水量的升高而增大(P<0.05)。在60%WHC 土壤含水量条件下,6种供试土壤的15N2/15N2O 比值均接近0;当土壤含水量增加到80%WHC时,SC水稻土的15N2/15N2O比值显著增加,达到19.68,显著高于其他土壤;当土壤含水量达到100%WHC时,15N2/15N2O比值继续增加,SC水稻土的15N2/15N2O 比值仍然最高,为26.97,显著高于其他土壤;当土壤含水量达到水土比1:1淹水条件时,6种供试土壤的15N2/15N2O 比值均达到最大值,还是以碱性水稻土 SC的15N2/15N2O比值最高,为31.85。反硝化速率、15N2/15N2O比值和15N气态损失均随土壤含水量的升高而增大。在本文前两部分研究结果表明,碱性水稻土 HA的反硝化速率以及N2O和N2的组成比例均与同为碱性水稻土的SC相差很大,推测主要是由于HA水稻土本底NO3--N浓度(52 mg Nkg-1)远远高于SC(1.7 mgN kg-1)造成的。为验证NO3--N底物浓度对水稻土反硝化过程的影响,选取酸性水稻土 YT和碱性水稻土 HA,在室内实验室条件下进行15N标记、厌氧培养实验,设置5个添加NO3--N的浓度水平(10、20、50、70和100 mg N kg-1),研究了 NO3--N底物浓度对反硝化速率及其气态产物组成以及15N气态损失的影响。结果表明,两种供试水稻土 N2O排放速率均随着NO3--N底物添加量的增大而上升,酸性水稻土 YT的N2O排放速率始终大于碱性HA水稻土。随NO3--N底物添加量的增加,两种供试土壤的N2排放速率均呈先上升而后下降的趋势,HA水稻土的N2排放速率始终高于酸性YT水稻土。两种水稻土15N2/15N2O的比值均随NO3--N底物添加量的增加而下降,表明高NO3--N浓度可抑制N2O向N2的转化。两种供试土壤反硝化速率均随NO3--N底物添加量的增加呈先上升而后下降的趋势,表明NO3--N浓度是影响土壤反硝化及其气态产物组成的重要因素。本研究为准确测定反硝化终产物N2的浓度和丰度提供了方法支撑,研究结果对于深入认识水稻土反硝化过程和气态产物组成比例具有一定的科学意义,可以为减少稻田反硝化氮损失,降低N2O的排放比例提供数据支撑。